Hadamard金掩模振幅調(diào)制板大大推進(jìn)X光鬼成像的實(shí)用化進(jìn)程

X光透射成像/CT作為非侵入式的診斷方式，是目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的臨床檢測(cè)手段。但由于電離效應(yīng)X射線對(duì)于蛋白質(zhì)、細(xì)胞等會(huì)造成相當(dāng)程度的輻射損傷，據(jù)國際放射學(xué)會(huì)研究報(bào)告，每年X射線的醫(yī)學(xué)診斷就會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的癌癥和白血病患者，因此如何降低診斷所需的劑量至關(guān)重要。而自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，成像的方法并沒有根本上的改變，都是采用直接投影到面探測(cè)器，通過累計(jì)帶有物體信息的光子來展現(xiàn)出一定灰度分布的技術(shù)，因此這種方式的成像效率很低，不僅難以大幅度地降低成像所需劑量，而且分辨率受光源尺寸及探測(cè)設(shè)備分辨力的限制，成為制約傳統(tǒng)成像方法的兩大相互牽制的瓶頸問題。

針對(duì)輻射劑量的瓶頸問題，2018年中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員吳令安和陳黎明合作，首次利用隨機(jī)調(diào)制光強(qiáng)度的簡單方法實(shí)現(xiàn)了臺(tái)面式X光“鬼”成像，這種間接的成像方式是基于光場(chǎng)的二階關(guān)聯(lián)，成像質(zhì)量取決于探測(cè)信號(hào)的漲落而非強(qiáng)度的絕對(duì)值。以此為基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)完成了單光子量級(jí)的超低劑量成像，成果發(fā)表在Optica以后受到了廣泛關(guān)注，被Science在深度欄目中報(bào)道。在Science的報(bào)道中，同領(lǐng)域的專家給予了高度評(píng)價(jià)：“如果應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，這將是一項(xiàng)革命性的進(jìn)步”，與此同時(shí)也對(duì)該工作提出希望：“提高成像的分辨率與質(zhì)量，以適應(yīng)醫(yī)學(xué)成像的要求”?；谏鲜鰧?shí)際需求，物理所研究員吳令安與現(xiàn)上海交通大學(xué)教授陳黎明再次合作，開啟了解決成像分辨率瓶頸問題的探索。

近期研究團(tuán)隊(duì)中的博士生何雨航和張艾昕（共同一作），利用自主研制的Hadamard金掩模振幅調(diào)制板，首次實(shí)現(xiàn)了基于真正單像素探測(cè)器的非相干X光鬼成像。相比于隨機(jī)調(diào)制的方案，該方法利用了Hadamard矩陣的正交完備特性，因此即使在稀疏采樣下也能重構(gòu)出較好的圖像。在此基礎(chǔ)上，通過引入壓縮感知以及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)原有算法進(jìn)行了升級(jí)，最終利用37 μm源尺寸的X光源，在僅18.75%的采樣率下就得到了10 μm分辨率的成像結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了突破源尺寸限制的超分辨成像，足以對(duì)癌變組織進(jìn)行直接判斷，達(dá)到了臨床醫(yī)學(xué)精細(xì)成像的分辨率要求。在計(jì)算鬼成像的框架下，高性能的算法以及調(diào)制板的精細(xì)結(jié)構(gòu)保證了超分辨下較好的圖像質(zhì)量，而更低的采樣率意味著更短的曝光時(shí)間以及更低的劑量，因此有望利用該技術(shù)進(jìn)一步降低劑量。整個(gè)實(shí)驗(yàn)布局簡單，使用方便，單像素探測(cè)器的應(yīng)用也可極大地降低成本。另一方面，應(yīng)用該方法極大地降低了對(duì)放射源的空間相干性和強(qiáng)度的要求，可以大大推進(jìn)X光鬼成像的實(shí)用化進(jìn)程。

（a） 物體的3D示意圖；（b） 金掩模板掃描電鏡圖像；（c） 樣品的X光透射成像圖，曝光時(shí)間為5s；（d） 經(jīng)過4096次曝光后利用TVAL3算法重構(gòu)的圖像，對(duì)比度/噪聲比（CNR）為0.27；（e） 經(jīng)過768次曝光后利用CH-MWCNN算法重構(gòu)的圖像，CNR為2.65。

以上研究成果已在線發(fā)表于APL Photonics 5， 056102 （2020）。該工作得到科技部（2017YFA0403301、2017YFB0503301、2018YFB0504302）、國家自然科學(xué)基金（11721404、11991073、61975229、61805006、11805266）、中科院（XDB17030500、XDB16010200）有關(guān)項(xiàng)目基金的支持。
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